抽水蓄能電機(jī)靜止變頻器起動(dòng)的仿真研究

李桂芬，孫玉田，張春莉

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

1 前言

2 SFC起動(dòng)原理

靜止變頻器（SFC）起動(dòng)是抽水蓄能電站普遍使用的起動(dòng)方式之一，其優(yōu)點(diǎn)是：1)不存在失步問題，轉(zhuǎn)速可以平滑上升；2)不會(huì)有過熱、電流沖擊等問題；3)變頻器可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，故在電機(jī)制動(dòng)時(shí)可給電網(wǎng)回饋能量；4)對(duì)于有多臺(tái)蓄能機(jī)組的抽水蓄能電站，可以幾臺(tái)機(jī)組共同擁有一套變頻器，顯然更為經(jīng)濟(jì)；5) 在緊急情況下，一套變頻器在容量許可的條件下，可同時(shí)起動(dòng)兩臺(tái)，甚至多臺(tái)并聯(lián)機(jī)組。不足之處是：起動(dòng)1臺(tái)或2臺(tái)機(jī)組成本高，占地面積大，起動(dòng)時(shí)間長，一旦變頻器出現(xiàn)故障，機(jī)組便不能起動(dòng)。關(guān)于抽水蓄能電機(jī)的SFC起動(dòng)問題，國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)研究[1-3]。本文將SFC起動(dòng)的兩個(gè)階段（斷續(xù)換流和自然換流）有效地結(jié)合起來，基于SIMSEN仿真軟件建立了完整的仿真模型，可對(duì)SFC起動(dòng)的全過程進(jìn)行仿真計(jì)算。并對(duì)一臺(tái) 334MVA的抽水蓄能電機(jī)的SFC起動(dòng)過程進(jìn)行了仿真分析，獲得了電機(jī)起動(dòng)過程中的主要物理量變化規(guī)律，驗(yàn)證了模型的可靠性。為工程設(shè)計(jì)和研究人員提供了參考和理論依據(jù)。

圖1 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式定子饋電向量時(shí)序

SFC起動(dòng)過程分為斷續(xù)換流過程（也叫強(qiáng)迫換流過程）和自然換流過程。機(jī)組起動(dòng)前，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，且無端電壓，變頻器無換相電壓的支持而不能進(jìn)行正常的換相，需要采用強(qiáng)迫換流技術(shù)，即脈沖步進(jìn)方式。在脈沖步進(jìn)方式中，按定子三相電流的向量空間分布，在360o電角度的向量空間中存在6個(gè)磁勢(shì)分布位置，如圖1所示，通過變頻裝置對(duì)各相電流按圖中的饋電時(shí)序依次通電，可在電機(jī)定子中建立一步進(jìn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖2為對(duì)應(yīng)圖1的定子電流理想波形示意圖。從圖中可看出，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式中電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)是至關(guān)重要的，準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是電機(jī)成功起動(dòng)的必要保證。隨著電機(jī)的加速，其電樞端電壓的幅值逐漸升高，便具備了自然換相的條件，此時(shí)變頻器控制系統(tǒng)將結(jié)束脈沖運(yùn)行控制而轉(zhuǎn)入自然換相控制，電動(dòng)機(jī)得到正向力矩而繼續(xù)加速，直流電流Id也開始連續(xù)，直至起動(dòng)過程結(jié)束。

圖2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式定子電流理想波形示意圖

3 數(shù)學(xué)模型

在dq0坐標(biāo)系下，不考慮飽和時(shí)，一般帶阻尼繞組的凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

式中：H為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；0θ為轉(zhuǎn)子位置初始角。

電磁轉(zhuǎn)矩：

阻力矩：

SFC起動(dòng)多為轉(zhuǎn)輪排水起動(dòng)，k一般取為1%～5%。

4 仿真計(jì)算

4.1 基于SIMSEN軟件的仿真模型

依據(jù)SFC起動(dòng)過程的原理結(jié)構(gòu)，建立了如圖3所示的系統(tǒng)仿真模型。其中，VS1 為表征無窮大電網(wǎng)的交流電源，T1為主變壓器，SM1為待起動(dòng)的電機(jī)，CB1、CB2、CB3和CB4為三相開關(guān)。ICONVR和ICONVM為低速時(shí)脈沖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式下的整流器和逆變器模塊；CONVR和CONVM為高速時(shí)自然換相階段下的整流器和逆變器模塊（LCI），L1和L2為直流環(huán)節(jié)的平波電感，EXC為勵(lì)磁電源，ROT為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，PUMP為電機(jī)的負(fù)載（水泵）模型，T_PUMP為負(fù)載轉(zhuǎn)矩函數(shù)模塊，REGIEXC為勵(lì)磁調(diào)節(jié)函數(shù)模塊，HYST為控制開關(guān)動(dòng)作的函數(shù)模塊，用于低、高速兩個(gè)變頻模型之間的切換（注意：低、高速的變頻裝置模型分成兩部分，純粹是從軟件編程的需要考慮，實(shí)際上只有一套變頻裝置）。另外，系統(tǒng)模型還包括一些控制模塊，ARCCOS和ARCCOS1為調(diào)整整流器導(dǎo)通角的函數(shù)模塊，LAGI、LAGI1、LAGN1及LAGIEXC為濾波器模塊，分別對(duì)兩組變頻器電感中的電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁電流進(jìn)行濾波，REGI、REGI1、REGN1為調(diào)節(jié)器，PROG1為時(shí)序編程模塊，通過輸入電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角來控制可控硅的觸發(fā)順序。

4.2 算例分析

實(shí)例電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)例電機(jī)參數(shù)

利用圖3所示的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)實(shí)例電機(jī)SFC起動(dòng)的全過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果見圖4，分別給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流及端電壓的曲線。從圖4（a）可看到，電機(jī)加速時(shí)間大概為245s左右，本例將低速脈沖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定在0～0.1(p.u.)，此階段電磁轉(zhuǎn)矩如圖4（b），三相電流變化情況如圖4（e）所示，電流和轉(zhuǎn)矩是斷續(xù)的，電壓幅值逐漸增大，如圖4（h）所示。隨著電機(jī)的加速，端電壓的幅值逐漸升高，變頻器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自然換流階段，此階段電磁轉(zhuǎn)矩如圖4（c），三相電流變化情況如圖 4（f）所示。起動(dòng)全過程的電磁轉(zhuǎn)矩和電流曲 線分別如圖4（d）和圖4（g）所示。

圖3 抽水蓄能電機(jī)SFC起動(dòng)的仿真模型

圖4 抽水蓄能電機(jī)SFC起動(dòng)仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

本文將抽水蓄能電機(jī)SFC起動(dòng)的兩個(gè)階段（斷續(xù)換流和自然換流）結(jié)合起來，基于SIMSEN仿真軟件建立了完整的仿真模型，可對(duì)SFC起動(dòng)的全過程進(jìn)行仿真計(jì)算。通過對(duì)一臺(tái)334MVA的抽水蓄能電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了主要物理量的變化規(guī)律，證明了模型的可靠性。另外，模型可用在其他大型抽水蓄能電機(jī)的SFC起動(dòng)的仿真計(jì)算中，為工程設(shè)計(jì)及研究人員提供了參考和借鑒。

[1]PETERSSON T. Starting of large synchronous motor using static frequency converter [J]. IEEE Trans PAS, 1972, 91(1):172-179.

[2]LUO Y L. Study of the variable frequency start-up process of pumped storage machines. Pt Ⅰ , P t Ⅱ[A]. ICEM’93 [C].Wuhan,1993. 153-164.

[3]李玉玲，戈寶軍，王自濤.同步電機(jī)變頻起動(dòng)強(qiáng)迫換流過程的仿真分析[J].大電機(jī)技術(shù)，2000，(2)：29-32.